卡伦堡产业共生网络演化的稳定性分析

本节将以全球产业生态学者最常引用的生态产业园区原型典范卡伦堡生态产业网络为案例，分别采用无向网络和有向网络基础数据，并选取1975年、1985年和2000年三个年份为比较对象，探讨该产业共生网络系统结构和稳定性随着时间演化的特征。

6.3.1　基本概况

丹麦卡伦堡产业共生系统是由坐落在该市3千米半径区域内的多家企业进行蒸汽、热、粉煤灰、硫和其他一些资源的交换。卡伦堡生态产业园最初并不是根据规划建设，在那里一群公司使用彼此废弃物作为对于本身制造所需的原辅材料。该地区的产业共生关系演变是一种自发、缓慢的过程。而这些企业之间以及与社区间的物质与能源交换网络，20多年来已沿着距哥本哈根西边75英里处海岸地区发展成为一个小型产业共生网络。

1975年的卡伦堡产业共生网络如图6-5所示。参与网络的有斯塔托伊尔(Statoil)炼油厂、济普洛克(Gyproc)石膏墙板厂、阿斯内斯(Asnaes)电厂三个企业，原油、煤、海水和Tisso湖作为主要的原料。卡伦堡市作为当地大环境，与整个网络之间的关系密不可分。但是，参与网络中副产品交换的企业仅有Statoil炼油厂和Gyproc石膏墙板厂，Statoil炼油厂的废气丁烷气被Gyproc石膏墙板厂用作原材料。其中Statoil炼油厂是整个网络的中心。

图6-5　卡伦堡(1975)产业共生网络结构示意图

1985年的卡伦堡产业共生网络如图6-6所示。新增加的节点为Aaborg Portland水泥厂、Novo Nordisk制药厂和农场。其中从制药厂到农场的副产品流成为最大的互换，Novo Nordisk制药厂每年无偿提供110万吨淤泥(含氮和磷)给约1 000家农场，这也是丹麦政府禁止将这些物料倾倒入海后所取得的最有效和最经济的办法。Asnaes电厂供应飞尘给Aaborg Portland水泥厂，首次有了厂址不在卡伦堡产业园的一家公司加入了共生体。之后Asnaes电厂供应蒸汽给卡伦堡市、Statoil炼油厂和Novo Nordisk制药厂。此时，电厂、炼油厂和水泥厂三家最大的公司每家都有两个或更多的独立企业与之发生副产品交换。此阶段，电厂成为整个网络中非常重要的一个节点。

图6-6　卡伦堡(1985)产业共生网络结构示意图

1995年的卡伦堡产业共生网络如图6-7所示，此时的产业共生网络基本成熟。在此期间新增加的副产品交换链条为:

图6-7　卡伦堡(1995)产业共生网络结构示意图

Statoil炼油厂将冷水用管道送给Asnaes电厂用作沸腾炉原料进水;

Asnaes电厂使用盐冷却水的废热进行鱼产品生产;

Statoil炼油厂卖熔融硫给Kemira硫酸厂，并将处理的废水和脱硫废气送到Asnaes电厂供其使用;

Asnaes电厂完成烟道气的脱硫项目向Gyproc石膏墙板厂供应硫酸钙(石膏)，建再利用池收集水流供内部使用并减小对Tisso湖的依赖，并将半数容量从煤改为原油(Orimulsion)，送出飞尘来还原钒和镍。

6.3.2　基于无向网络的结构演化与稳定性分析

6.3.2.1　基本特征分析

丹麦卡伦堡产业共生无向网络的基本特征比较如表6-2所示。

表6-2　卡伦堡产业共生网络基本特征比较

1.节点数与关系

随着卡伦堡产业共生网络的演替，节点数逐渐增多，关系数也逐渐增多，但是关系数并非随着网络规模的增加呈现线性增长。这是由于现有节点之间的关系有可能不断增加。如1975年到1985年，阿斯内斯电厂与卡伦堡市两个节点并非新增节点，却新增了一条关联，即前者向后者供应蒸汽。这是由于现有节点会在不断的发展过程中进一步搜寻可能存在的关联，并努力构建以进一步减少成本增大收益。

2.网络密度、簇系数与特征路径长度

卡伦堡产业共生网络的网络密度和簇系数值均较大;随着网络规模的扩大，密度逐渐减小;但是网络簇系数却出现了先减小、后增大的现象;网络特征路径长度与簇系数表现出很强的关联性，为先增大后减小的现象。

1975年为网络的萌芽阶段。可见卡伦堡具有很好的产业发展阶段，在萌芽阶段已经存在了一些零散的产业生态链接，因此其密度和簇系数均较高。

1985年为系统的扩展阶段。由于产业数量和种类的增加，产业之间逐步形成共生、寄生和异生的产业关系。由于产业之间的关系复杂而且日益稳定，产业生态链呈线状扩展，因此不断吸纳新的产业，产业生态链开始逐步完善。产业生态链加长，逐步形成新的产业生态链，网络结构形成并不断发展。表示局部集聚程度的簇系数较1975年有所下降，节点之间信息传递的快捷程度相应降低。

1995年为系统的成熟阶段。系统构成完善，结构复杂程度增高。企业数量增加值达到极点，结构趋于稳定，承担新的系统功能的企业几乎不再出现，产业数量和种类稳定，产业间形成的各种关系稳定。产业生态群落演替的三个子系统均衡发展，其中废物还原子系统的发展速度最快。此时表示局部集聚程度的簇系数又迅速上升，节点之间信息传递的快捷程度相应地也升高。

图6-8　卡伦堡产业共生网络中心势变化示意图

6.3.2.2　网络中心性

如表6-3和图6-8所示，网络的中间中心势和接近中心势均呈现出上升趋势，但是点度中心势为先减小后增大，总体上表明网络中节点对资源的控制能力和不受他人控制的能力势差越来越大，网络中节点和边缘节点的差别有增大的现象。可初步判定网络随着时间的推移，逐步出现更多的核心节点和独立节点。结合实际分析，1975—2000年，网络中逐步增加了一些企业，这些企业在发展过程中，必然会使得一部分与之关联的原有企业核心地位更加明显，而与之没有关联的企业则独立性相对增强。1975年网络中主要核心企业为Statoil炼油厂，1985年时Asnaes电厂成为网络中关联最多的企业，而到1995年网络中这两个节点的地位已经难分高下，可见网络已经逐步由单中心依托型向多中心依托型模式发展。

表6-3　卡伦堡产业共生网络的中心性比较

6.3.2.3　节点影响力

表6-4　卡伦堡产业共生网络节点的特征向量中心性比较

如表6-4所示，1975年、1985年和1995年特征向量最高值分别为: Statoil炼油厂、卡伦堡市、Asnaes电厂。1975年Statoil炼油厂为最核心节点，因为实际上1975年最初的产业共生是Statoil炼油厂将产生的尾气丁烷气供给Gyproc石膏墙板厂，Statoil炼油厂是当时园区产业共生链条的主体与发起人。1985年，随着网络链条的增多，虽然园区内节点度数最高的企业并非卡伦堡市，但是卡伦堡市却成为最核心节点，由此可见卡伦堡市作为当地的大环境，是炼油厂、电厂的主要用户，地位至关重要，对整个网络具有很强的影响力，关系着整个网络的成败。1995年Asnaes电厂为最核心节点。

表6-5　卡伦堡产业共生网络节点的中心性比较(1975年)

表6-6　卡伦堡产业共生网络节点的中心性比较(1985年)

续 表

表6-7　卡伦堡产业共生网络节点的中心性比较(1995年)

比较表6-5、表6-6和表6-7，可以识别1975年、1985年和1995年卡伦堡产业共生网络的节点中心性特征。

表6-5　表明Statoil炼油厂为网络的核心节点，网络中较独立节点为煤、原油和Gyproc石膏墙板厂。

表6-6　表明网络中的最核心节点为卡伦堡市、其次为Statoil炼油厂和Asnaes电厂;网络中的较独立节点为Tissor湖和海水。

表6-7　表明网络中的最核心节点为Asnaes电厂、其次为Statoil炼油厂;网络中的较独立节点为Novo Nordisk制药厂、Alborg水泥厂、煤、海水等。

比较三个阶段的核心节点和较独立节点，发现其核心节点由少增多，网络逐步呈现出多中心依托型特征。较独立节点1975年为煤、原油等资源，可见网络在萌芽阶段时期，资源在其中占据重要地位;1985年为Tissor湖和海水，可见网络在扩展时期环境在其中所占据的地位很重要，而不再是最资源的原始依赖;1995年为Novo Nordisk制药厂、Alborg水泥厂等企业，这些企业是在扩展阶段新加入到网络中的，它们与网络中的某些节点具有关联，但是到成熟阶段却逐渐表现出独立性，说明此时的网络基本成熟。在今后的进一步发展中，这些企业可以成为网络中纵向产业链延伸的重点。

对于1975年到1985年网络中较独立节点以及核心节点的转移，其关键因素是Asnaes电厂的资源高效利用。Asnaes电厂具有15 000兆瓦发电能力，是丹麦最大的燃煤电厂。1975年，如同所有化石燃料电厂一样，该厂从煤炭燃烧到变成电能，其能量的最高转化率约为40%，其余60%作为热(大部分以水蒸气形式)耗散到周围环境中。电厂通过废热的回收利用，使电厂的能源利用效率提高到80%。1981年后，电厂通过地下管道向卡伦堡市供热，减少了3 500座油渣炉。电厂的余热用于自己的养鱼场，温水使鱼长得更快，鱼池废渣经过处理作为有机肥料出售。该系统通过使这部分本来要损失的热能用于其他目的，使煤炭一次能源的90%得到了利用。系统以电厂向炼油厂和制药厂供应余热为起点，经过不断扩展，已形成包括发电厂、炼油厂、生物技术产品厂、塑料板厂、硫酸厂、水泥厂、种植业和园艺以及卡伦堡市的供热系统，并且通过各个系统单元(企业)之间的硫、硫酸钙(石膏)等副产品相互利用构成了一个非常完整的产业生态系统。卡伦堡市以外还有一些公司参与了“从副产物到原料”的交换贸易。网络的核心由1975年的Statoil炼油厂转化为1985年的Asnaes电厂，这充分说明产业共生网络在发展阶段废物资源化和副产品交换使网络中节点地位发生根本性变化。

6.3.2.4　网络机制模型

(1)小世界性。由表6-8比较可知，卡伦堡产业共生网络在不同的时期均表现出较高的局部集聚程度和很短的特征路径长度，呈现很强的小世界性，且随着卡伦堡产业共生网络的演替，小世界性越来越强。

表6-8　卡伦堡产业共生网络小世界性比较分析

(2)无标度性。如图6-9，卡伦堡产业共生网络的度分布曲线在1975年具有峰值，呈现钟形分布。在1985年和1995年均呈现幂律分布，如图6-10和图6-11。其拟合公式如下。

图6-9　卡伦堡网络度分布曲线(1975)

图6-10　卡伦堡网络度分布幂律曲线(1985)

图6-11　卡伦堡网络度分布幂律曲线(1995)

这种分布模式体现出网络的无标度性。大量网络测算结果显示，无标度网络节点度的幂律分布系数γ一般介于2～3，卡伦堡产业共生网络中的幂律度分布曲线中，其幂指数均较小于1。卡伦堡产业共生网络此时抗选择性攻击能力不断下降。

6.3.2.5　小结

1.基本特征随时间的演化

(1)随着时间的推移，卡伦堡产业共生网络的节点数逐渐增多，相应的关系数逐渐增多，网络整体集聚水平逐渐降低。

(2)随着网络进入扩展期和成熟期，网络的局部集聚水平与信息传递速度呈现出现先减小、后增大的趋势。网络在扩展阶段随着节点的增多，关系的不断调适，整个系统会出现短暂的不稳定现象，其特征会表现出一些特殊性。

(3)网络在成熟期，产业数量和种类相对恒定，产业间形成的各种关系稳定，结构趋于稳定，网络的局部集聚水平达到最高，而整体集聚水平却最低。

2.网络中心性随时间的演化

(1)在网络发展的不同阶段，网络中心势不断变化。萌芽阶段网络具有很强的中心势;扩展阶段网络的中心势降低;成熟阶段网络的中心势达到最高。

(2)随着时间的推移，网络中逐步出现更多的核心节点和独立节点。1975年网络中核心节点为Statoil炼油厂，1985年核心节点为卡伦堡市、Statoil炼油厂和Asnaes电厂，而到1995年网络中Statoil炼油厂和Asnaes电厂的地位已经难分高下。网络中核心节点由一个转化为多个，网络已经逐步由单中心依托型发展成为多中心依托型模式。

3.节点影响力随时间的演化

(1)核心节点:1975，1985，1995三年的最核心节点分别为Statoil炼油厂、卡伦堡市、Asnaes电厂。可见随着网络的不断发展和成熟，网络中的核心节点并非一成不变，这主要与网络中新增企业和已有企业的关联有关。

(2)较独立节点:1975年为煤、原油和Gyproc石膏墙板厂;1985年为Tissor湖和海水;1995年为Novo Nordisk制药厂、Alborg水泥厂、煤、海水等。可见网络在萌芽阶段资源在其中占据重要地位，在扩展时期环境在其中所占据的地位很重要，在成熟阶段较独立节点已经不再是资源而是企业，这些企业可以成为网络中纵向产业链延伸的重点。

(3)Asnaes电厂的废物资源化和副产品交换是使卡伦堡网络中节点地位不断变化的根本原因。在产业共生网络中，企业可以通过自身的资源化等方式提高自己在园区中的核心地位。

4.网络复杂性随时间的演化

(1)随着时间的推移，网络的复杂性逐渐增强。卡伦堡产业共生网络从1975年到1985年和1995年，经历了萌芽阶段、扩展阶段并发展为成熟阶段，其网络逐渐由小世界性发展成为无标度性，网络的复杂程度增强。

(2)卡伦堡网络的度分布模型由1975年的“钟形”转化为1985年和1995年的幂律分布，可见自主实体型产业共生网络扩展至成熟阶段时抗攻击能力会降低。这一结论值得引起所有产业共生网络的重视。

6.3.3　基于有向网络的结构演化与稳定性分析

6.3.3.1　基本特征分析

通过分析基于有向网络的卡伦堡工业系统在不同时间的特征值，可以得到表6-9。从表中可看出，网络节点数逐步增多，同时网络的平均度也逐步增大，中间中心势逐步增大。这些变化表明网络规模的扩大，并且各个企业与其他企业的合作关系增多，网络对于随机性攻击的抵抗力增强。另外，网络密度、等级度和入度中心势均呈现出先降后增的趋势，而聚类系数、效率和出度中心势呈现出先增后降的趋势。

表6-9　卡伦堡产业共生网络不同阶段网络特征值表

6.3.3.2　节点影响力分析

在进一步分析网络各节点的表现后，得到表6-10和表6-11。表中“-”表示该年度尚未出现此节点。

从表6-10中可看出，除电站外，大部分节点的影响力排名未发生较大变化。电站尽管在1975年的出度中心性排名为最后一名，但在1985年和1995年却超越1975年的第一名炼油厂，成为了出度中心性最大的节点，且对其他节点的控制力从36%增加到50%。另外，资源类的节点如煤矿、海水、原油等，在出度中心性的排名中均位于较前的位置，而在入度中心性的排名中一直位于较后的位置。这表明在几十年的演化发展中，在整体水平上自然资源始终保持着一个“给予者”的角色，造成了资源类节点的入度中心性为0。这一结论符合当时工业发展的方式，即资源控制型的线性工业。

表6-10　卡伦堡产业共生网络节点度数中心性分析表

续 表

表6-11　卡伦堡产业共生网络节点中间中心性分析表

从表6-11可以看出，除电站和海水外，其余节点的排名变化幅度较小。电站在1975年排在最后一名，却在1985年和1995年跃居为第一名。从丝毫没有控制力的位置爬升至控制力最强的位置。与此同时，原本排名第二和第三的11号节点海水，却在1995年跌落至最后一名，对所有节点均无控制力。结合其他排名一直较低的资源类节点，可得出结论:随着产业共生网络的发展，资源类节点对网络中其他节点关系的控制力逐渐减弱，渐渐地成为网络的边缘。

为了进一步识别出网络的关键节点，采用破碎度方法进行分析。

分别设立五个情景方案:kp1，kp2，kp3，kp4，kp5，即分别去掉1个、2个、3个、4个、5个关键节点时，网络的破碎化程度F的大小。分析所得的关键节点(组)如表6-12所示。表中1975年为从产业共生网络系统中去掉卡伦堡市、电站和炼油厂后，F=1，网络已经完全破碎，无需再分析情景kp4和情景kp5;同样在1985年时去掉卡伦堡市、农场、电站和炼油厂后，F=1，网络完全破碎，无需分析情景kp5;在1995年，去掉电站、炼油厂、制药厂、卡伦堡市和养鱼场后，F=1，网络完全破碎。三个时间段的网络破碎化程度如图6-12所示。

表6-12　卡伦堡产业共生网络关键节点

续 表

图6-12　卡伦堡产业共生网络不同阶段网络破碎度分析示意图

在三个阶段，kp1的关键企业分别是炼油厂、电站、电站。而在1985年，最关键企业发生转变后，去除这一节点造成的F值为0.727，超过1975年的0.464几乎57%。而在1995年，电站继续为最关键企业，去掉这一节点造成的F值迅速下降，甚至比1975年的水平还低。这说明，在产业共生网络发展和扩大规模的过程中，网络的稳定性是有起伏波动的。这时需要主管部门给予密切关注。1975年，kp2的关键企业中除各项排名均很高的炼油厂外，还有多数排名较低的电站。这再次证明了，不能仅仅依靠节点中心性分析识别关键企业。此外，从图6-12中还可看出，随着网络的发展，完全摧毁网络而需要移除节点的数量逐渐增多，其对抗选择性攻击的能力越来越强。

6.3.4　两种网络结构背景下的稳定性综合分析

通过对卡伦堡产业共生网络三个演化阶段的分析，可得出以下结论:

(1)基于有向网络与无向网络的卡伦堡产业共生网络结构演变分析表明，随着共生网络的不断演化，节点数逐渐增多，网络规模扩大，各个企业与其他企业的合作关系增多，相应的关系数逐渐增多，网络整体集聚水平逐渐降低。

(2)基于无向网络的分析结果表明，随着卡伦堡共生网络的演化，网络中逐步出现更多的核心节点和独立节点，网络逐步由单中心发展成为多中心模式，核心节点演变的重要原因是该节点强化了自身的废物资源回收与再利用;有向网络的进一步分析表明，资源类节点随着网络的演化逐渐被边缘化。

(3)基于有向网络的网络破碎度分析结果表明，随着卡伦堡产业共生网络的演化，网络的稳定性明显增强，即对于随机性攻击的抵抗力增强，但增强形式呈现波动形式性特征。

(4)利用有向网络数据，结合网络破碎度分析，能更为有效地辨识产业共生网络中的关键企业，而不能仅仅依靠节点中心性分析识别关键企业。